中缝背核5-羟色胺能神经元在全身麻醉中的作用机制研究进展

朱 珊，杨笑萱综述，罗 艳，金 华审校

0 引 言

全身麻醉是指麻醉药经呼吸道吸入、静脉注射或肌肉注射，产生中枢神经系统的可逆抑制，表现为意识消失、遗忘、镇痛和制动[1]。自1842年应用乙醚进行无痛手术开始，每年全球有超过两亿的患者因外科手术而接受全身麻醉，但对于其如何导致可逆性意识消失一直是现代医学中的未解之谜[2]。

全身麻醉状态与自然睡眠状态在生理特点方面存在许多相似之处，比如意识消失、感知能力下降以及对外界刺激反应下降[3]。此外，全身麻醉与睡眠的脑电特征也十分相似，全身麻醉时脑电会呈现出类似于非快速眼动睡眠(non-rapid eye movements sleep, NREM)的低频慢波[4]。通过静息功能磁共振成像发现，觉醒-睡眠与觉醒-麻醉之间的脑功能网络改变十分接近[5]。研究发现全麻药可以通过抑制促进觉醒的核团发挥麻醉作用[9]，这些核团包括蓝斑(去甲肾上腺素能神经元)、桥脑网状结构(促醒GABA能神经元)、桥脚和背侧被盖(胆碱能神经元)、腹侧被盖区(多巴胺能神经元)、穹隆周围区(食欲素能神经元)、结节乳头核(组胺能神经元)和基底前脑(促醒胆碱能神经元)。

神经调质5-羟色胺(5-hydroxytryptamine, 5-HT)是一种生物胺，又名血清素 (serotonin)。在哺乳动物中枢神经系统中，大多数5-HT能神经元集中分布于中缝背核(dorsal raphe nucleus, DRN)，DRN的5-HT能神经元投射到多个脑区，在调控睡眠-觉醒、大脑发育、食欲、运动功能、情绪、神经内分泌功能、昼夜节律和抑郁等生理病理过程中起着重要的作用[10-11]。近期研究发现，DRN的5-HT能神经元不仅参与调节睡眠-觉醒，而且与全身麻醉过程密切相关，为我们研究全身麻醉作用的神经机制提供了新思路。

1 DRN的神经解剖和功能

DRN是一种异质性的脑干核团，位于哺乳动物中脑导水管周围灰质的外侧和腹侧(包括中线)部分[12]。DRN是中枢神经系统中神经递质的主要来源，是5-HT能神经核中最大的一个，含有大约三分之一的5-HT能神经元[13]。DRN中的神经元具有神经化学和解剖学上的多样性——只有30%～50%为5-HT能神经元，许多神经元释放其他神经递质，包括GABA、谷氨酸、多巴胺、一氧化氮和各种肽[14]。根据其5-HT能神经元的分布可分为5个亚区，即吻部、背部中央、腹部中央、尾部以及侧翼[15]。

DRN与许多脑区有着紧密的纤维连接。DRN通过3条上行和4条下行路径投射到几乎所有脑区，上行投射到纹状体、丘脑、下丘脑、缰核、杏仁核、大脑皮层等，下行投射到蓝斑、小脑等[12]。此外，它还接受下丘脑外侧区、腹侧被盖区、外侧臂旁核和结节乳头核等的纤维输入。如此复杂的神经网络使DRN与多种功能和大脑状态密切相关，包括情绪、焦虑、感觉和运动功能、睡眠-觉醒等[16]。

2 DRN的5-HT能神经元在睡眠-觉醒中的作用

DRN的5-HT能神经元是上行网状激活系统的一部分，早在20世纪50年代初期，就有研究者提出DRN的5-HT能神经元在睡眠觉醒过程中发挥重要作用，然而，对DRN的5-HT能神经元在睡眠觉醒中的作用至今仍未达成共识。

早期研究发现损毁猫的中缝核可以降低大脑5-HT水平，进而导致睡眠缺失，睡眠缺失程度与损毁范围成正比[17]。腹腔注射氯苯丙氨酸(色氨酸羟化酶抑制剂)阻断5-HT合成，会减少睡眠[18]。这些结果提示：DRN的5-HT起着重要的促睡眠作用。然而，越来越多的实验证据不支持这一假设。损毁大鼠的中缝核不像损毁猫的中缝核一样导致睡眠减少[19]。此外，通过在体电生理技术发现斑马鱼的DRN的 5-HT 能神经元在清醒状态下活动水平最高，NREM睡眠时神经元放电减少，而在快速动眼睡眠(rapid eye movement sleep, REM)时神经元放电进一步降低[20]。基因敲除成年小鼠脑桥/中脑中缝核团的Tph2基因(编码色氨酸羟化酶的基因)可导致小鼠活动增加，昼夜节律紊乱并消除午睡[21]。利用ePet-cre品系敲除中脑/桥脑和延髓中的大多数5-HT能神经元导致REM睡眠减少，同时减弱对外界刺激的反应[22]。这些研究都提示DRN的 5-HT 能神经元是脑内的重要觉醒通路。基于以上研究，DRN被认为是上行激活系统的一部分，可以促进觉醒。

但是，关于DRN的5-HT能神经元与睡眠觉醒关系的争议仍未结束。最新证据表明，DRN的5-HT能神经元对睡眠的启动和维持至关重要。在斑马鱼中，基因消融或药物抑制5-HT合成会减少睡眠，损害对睡眠剥夺的稳态反应；类似地，消融小鼠的DRN会导致增加觉醒，睡眠剥夺的稳态反应受损；有趣的是，以3 Hz的光脉冲激活DRN的5-HT能神经元会积累睡眠压力，促进NREM睡眠，而25 Hz的光脉冲会促进觉醒[20]。此外，下丘脑神经肽VF能神经元通过DRN的5-HT能神经元促进睡眠[23]。

上述关于DRN的5-HT能神经元与睡眠觉醒关系的数据存在很多矛盾之处。这些结果提示DRN的5-HT能神经元可能并不是单一地促觉醒或促睡眠，而是在睡眠-觉醒通路中发挥双向调节作用。此外，这些研究都将DRN的5-HT能神经元作为一个单一群体来调控，实际上，尽管同为5-HT能神经元，在分子、解剖和生理特性上也是异质的。研究发现，DRN包含根据电生理特征、形态学和亚区分布确定的多种5-HT能神经元亚型[15,24]。不同亚型的5-HT能神经元可能接受不同的输入，在各种生理功能的调节中发挥不同的作用。Sakai等[24]根据睡眠觉醒周期中不同的电生理特征，将小鼠DRN的5-HT能神经元分为4种亚型。其中Ⅰ型和Ⅱ型在觉醒状态放电较活跃，Ⅰ型主要位于DRN的吻部及尾部，Ⅱ型散在分布于整个DRN；而Ⅲ型和Ⅳ型是睡眠活跃的神经元，它们主要位于吻部、中部及侧翼。这种放电模式的不同可能与DRN的不同亚区接收到的不同神经支配有关。这些结果提示DRN的5-HT能神经元存在解剖和功能不同的神经元亚型，在睡眠觉醒调控中可能发挥着不同甚至相反的作用。为了充分阐明DRN的5-HT能神经元与睡眠觉醒的关系，需要更高分辨率的方法来检测5-HT能神经元在睡眠觉醒时的放电模式，比如进行单细胞的钙活动测定。

3 DRN的5-HT能神经元在全身麻醉中的作用

由于睡眠与全身麻醉的相似性，近些年来，DRN的5-HT能神经元在全身麻醉中的作用研究也不断深入。通过体内微透析技术，Adell等[25]发现，与清醒状态相比，戊巴比妥或水合氯醛麻醉时，大鼠DRN胞外5-HT含量减少60%；Mukaida等[26]发现与慢波睡眠时类似，异氟醚麻醉大鼠额叶皮质5-HT的含量显著减少；选择性5-HT再摄取抑制剂氟西汀可部分拮抗异氟醚的麻醉效能。利用体外电生理技术，McCardle等[27]证明不同类型的麻醉药会不同程度地影响DRN的5-HT能神经元的功能，其中戊巴比妥钠通过激活GABAA受体显著抑制5-HT能神经元的活动；Johansen等[28]进一步验证吸入性麻醉药如异氟醚可以明显抑制尾侧DRN的5-HT能神经元放电，这种抑制作用呈剂量依赖性。这些结果表明，各种全身麻醉药对DRN的5-HT能神经元功能有很大影响，提示DRN的5-HT能神经元在全身麻醉作用机制中起到重要作用。

早在1978年，Roizen等[29]就发现损毁大鼠的DRN会使下丘脑的5-HT含量降低40%，皮质的5-HT含量降低80%，且可显著降低氟烷和环丙烷麻醉的最低肺泡有效浓度值(minimal alveolar concentration，MAC)。5-HT2A受体拮抗剂酮色林可降低异氟醚的MAC[30]；阻断5-HT2A或5-HT2C受体可显著降低七氟醚的MAC[31]；侧脑室注射 5-HT 能促进异氟烷麻醉大鼠的觉醒，其作用可能是通过5-HT1A和5-HT2C受体实现的[32]。此外，临床上最常用的两种全身麻醉药丙泊酚和异氟醚均与5-HT2B受体存在显著的相互作用，这表明5-HT受体是潜在的麻醉靶点[33]。另一项研究显示，于中缝背核局部给予GABAA受体激动剂蝇蕈醇可使丙泊酚麻醉大鼠苏醒时间延长、GABAA受体拮抗剂荷苞牡丹碱可使大鼠麻醉时间缩短[34]。Yang等[35]发现在异氟醚麻醉下，微量注射食欲素-A到中缝背核可引起脑电图觉醒，并降低爆发抑制率，即食欲素在异氟醚麻醉中的促醒作用部分是由于激活DRN的5-HT能神经元实现的。这些直接损毁或药物调节5-HT能神经元的实验都间接提示DRN的5-HT能神经元在全身麻醉中有重要的促进觉醒的作用。

近年来，随着神经调控技术的发展，特别是光遗传学和化学遗传学技术，我们能够精确、可控地操纵特定的神经元，并研究其生理功能。利用光遗传学技术在丙泊酚麻醉状态下特异性激活小鼠DRN的5-HT能神经元，能加速小鼠翻正反射恢复时间，并可使前扣带回(anterior cingulate cortex, ACC)的 c-Fos 表达增加；随后，他们发现DRN5-HT-ACC通路在丙泊酚全身麻醉中发挥促觉醒作用，初步探究了全身麻醉致意识改变的神经网络机制[36]。Li等[37]发现，异氟醚麻醉期间DRN的 5-HT能神经元c-Fos表达和钙活性均显著降低；通过光遗传学或化学遗传学技术激活DRN的5-HT能神经元可降低麻醉深度，促进麻醉苏醒；反之，抑制则加深麻醉，延长苏醒时间。这些研究直接提示DRN的5-HT能神经元在全麻状态的恢复中起重要作用。

鉴于目前的研究已经表明DRN的5-HT能神经元存在很大的异质性，不同的5-HT能神经元亚群可能在全身麻醉中发挥着不同的功能，这个问题仍有待我们进行进一步研究和探讨。

4 结 语

全麻机制是现代医学和神经科学领域亟待解决的重要问题之一，其主要难点在于：①全身麻醉药广泛作用于整个中枢神经系统；②中枢神经系统是一个拥有广泛连接的复杂系统。全身麻醉与自然睡眠之间存在诸多相似之处，DRN的5-HT能神经元不仅参与了睡眠觉醒的调节，还与全身麻醉的苏醒过程存在密切关系，但仍未阐明DRN的各个5-HT能神经元亚群在全身麻醉中的作用。蓝斑、桥脑网状结构、桥脚和背侧被盖、腹侧被盖区、穹隆周围区、结节乳头核和基底前脑等多个脑区已被证明在全身麻醉过程中发挥重要作用，但仍不清楚各功能核团之间的环路机制。未来需要我们建立起全身麻醉作用的神经机制网络，充分阐明全麻药导致意识消失的神经机制，为开发新型麻醉药及防治全身麻醉副作用提供理论基础。